CFX_流固雙向耦合的實(shí)現(xiàn)

1、CFX流固雙向耦合的實(shí)現(xiàn)201064精儀設(shè)計(jì)所王昊森O流固耦合基本問題流固耦合問題一般分為兩類，一類是流固單向耦合，一類是流 固雙向耦合。單向耦合應(yīng)用于流暢對(duì)固體最用后， 固體變形不大，即流暢的邊界形貌改變很小， 不影響流暢分布的， 可以使用流固單向耦合。先計(jì)算出流暢分布，然后將其中的關(guān)鍵參數(shù)作為載荷加載到固體結(jié) 構(gòu)上。典型應(yīng)用比如小型飛機(jī)按剛性體設(shè)計(jì)的機(jī)翼，機(jī)翼有明顯的應(yīng)力受載，但是形變很小，對(duì)繞流不產(chǎn)生影響。當(dāng)固體結(jié)構(gòu)變形比較大，導(dǎo)致流暢的邊界形貌發(fā)生改變后，流暢分布會(huì)有明顯變化時(shí)，單向耦合顯然是不合適的，因此需要考慮固體變形對(duì)流暢的影響。兩者相互作用，最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)問題中）。

2、比如大型客機(jī)的機(jī)翼，上下跳動(dòng)量可以達(dá)到5米，以及一切機(jī)翼的氣動(dòng)彈性問題，都是因?yàn)閮烧呦嗷ビ绊懏a(chǎn)生的。因此在解決這類問題 時(shí)，需要進(jìn)行流固雙向耦合計(jì)算。O雙向流固耦合的基本方式雙向流固耦合的基本思路是：分別計(jì)算流場(chǎng)和固體結(jié)構(gòu)，然后通過中間平臺(tái)交換耦合量。 每次大迭代中，分別進(jìn)行一次流體計(jì)算和固體計(jì)算，并交換2次數(shù)據(jù)（每個(gè)方向各一次），直到最終收斂。這種通過交換耦合邊界的耦合量實(shí)現(xiàn)的雙向耦合稱為松耦合方式（即非耦合方程方式求解）。（1）MPCCIMPCCI（ Mesh-based parallel Code Coupli ng In terface ）是德國(guó)法蘭克福 SCAI 研究中心開發(fā)的針對(duì)耦

3、合問題的工程軟件。本身沒有計(jì)算功能，是作為數(shù)據(jù)交 換和控制臺(tái)軟件存在。具體是通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部的口通訊的監(jiān)聽和操作來實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的交換和求解器的控制。其基本框架與CFX-ANSYS禺合方式相同。下圖為MPCCI的框架結(jié)構(gòu)，示一般流固雙向耦合的實(shí)現(xiàn)方式。MpCCI Coup-bug StrfljrMPCC框架結(jié)構(gòu)MPCCI3.06 版本可以使用 ANSYS11.0以及FLUENT6.3版本。MPCCI4.0可以使用 ANSYS12.0和 FLUENT12版本。（2）CFX-ANSYS12.0 版本）CFX是集成于ANSYS中的流體計(jì)算軟件，雖然功能較flue nt差，但是目前只有CFX可以不借助第三方

4、軟件與ANSYS實(shí)現(xiàn)雙向流固耦合的計(jì)算。因此現(xiàn)在選用CFX-ANSYS來解決雙向流固耦合問題。其基本框架與MPCCI相同，實(shí)現(xiàn)耦合的通訊軟件為 MFX（multi-field solver） 。O基本思路基本的方法：形成2套網(wǎng)格和邊界，其中包含了特殊定義的耦合邊界和狀態(tài)、參數(shù)，耦 合軟件將通過定義的耦合邊界來傳遞耦合參數(shù)，并指揮流體、固體求解器計(jì)算，依次實(shí)現(xiàn)雙向耦合分析。因?yàn)轳詈蠀?shù)是通過插值傳遞的，所以耦合邊界上不要求網(wǎng)格的連續(xù)性。文件類型：固體文件：*.i np-a nsys in put fileInp文件中包含了固體網(wǎng)格，邊界條件（如 fix約束，受力等），定義的耦合邊界以及時(shí)間步等信

5、息。流體文件：*.msh or *.cas-fluent網(wǎng)格文件/項(xiàng)目文件這里因?yàn)槭褂猛獠烤W(wǎng)格，可使用flue nt的網(wǎng)格文件，也可以由ICEM CFD直接生成CFX的網(wǎng)格文件，沒有影響。*.msh中包含流體網(wǎng)格和named section 。 （namedsection用于按命名區(qū)域制定不同類型的邊界，必要步驟）以上2種文件是耦合使用的原始文件，可由不同的軟件或者手工生成，不影響使用。比如，*.inp 可以由 ANSYS APDLANSYS WORKBENCH Hypermesh 生成；*.msh 可以由ANSYS WORKBENCHEM CFD Gambit 等生成。本例中，2者都用ans

6、ysworkbench 生成。MFX使用的文件：*.defMFX 在使用中是從 CFX-solver中啟動(dòng)的，*.def 實(shí)際是CFX-pre交給CFX-solver 使用的文件。其他格式：其他格式的文件是各軟件自己的工程文件類型，不參與耦合計(jì)算，只是作為工程文件保存。下圖是基本流程框架結(jié)構(gòu)。ANSYS+CFXIg固耦合準(zhǔn)備逾程幾何模樂（tatia）網(wǎng)賂固體網(wǎng)格瀝俸網(wǎng)搭f邊界命名. fluent 式）保存為1.msnStruttrualCFXtransient疝加均束和踽芻關(guān)雪ri|Jnp>CFX-pre1.defCFX-solverMFXcrnkMult卜field solverAMS

7、YS-iOlverCFX-ANSYS雙向耦合框架圖O具體實(shí)現(xiàn)STEP BY STEP問題描述：這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，目的在于搞清楚進(jìn)行CFX-ANSYS耦合分析的流程。在一個(gè)無限寬的窄風(fēng)道中，有一個(gè)彈性的截流板，當(dāng)有來流流入時(shí)，板在來流側(cè)受到氣體的壓力產(chǎn)生彎曲，同時(shí)上方的氣流通道將變大。實(shí)現(xiàn)分析的基本步驟：1. 在catia 中畫幾何模型2. 在workbench中進(jìn)行幾何模型處理和網(wǎng)格處理3. 形成inp文件4. CFXpre中定義流體相關(guān)（重點(diǎn)，難點(diǎn)）5. 形成計(jì)算需要的def文件6. 提交進(jìn)行雙向耦合計(jì)算7. 后處理*注：對(duì)于耦合界面及耦合量的定義在步驟3和步驟4中完成。1 .在cat

8、ia中畫幾何模型在catia中建立一個(gè)幾何實(shí)體 （如果用hypermesh可以只建立面），注意將流場(chǎng)區(qū)域 （也 是實(shí)體的）和固體區(qū)域放在不同的 body中，否則會(huì)連成一體。直接保存為 part文件即可， 不需要格式轉(zhuǎn)換。2 .在workbench中進(jìn)行幾何模型處理和網(wǎng)格處理打開 ANSYSworkbench。建立一個(gè)mesh模塊，在geometry中輸入catia的模型文件。然后點(diǎn)擊mesh打開網(wǎng)格劃分界面。將固體部分suppress,屏蔽掉固體的幾何模型。先建立流體部分的網(wǎng)格。選擇面，在選擇的面上右擊，建立named selection分別建立inlet,outlet,sym1,sym2,w

9、all,interface。（對(duì)應(yīng)為來流，出流，側(cè)對(duì)稱面1、2,上下邊界，耦合界面）。4.1aUpdaten i n* rintmr盤 Ptdject 曰 Mudel (A3)Pr eL e« IrE1«1-«i± *臨 匚DTTltMesh JNam色 _J Frmfe-fl Surfice N«sh屏蔽固體模型建立named section設(shè)置網(wǎng)格為fine （細(xì)）。然后劃分網(wǎng)格。幾何很簡(jiǎn)單，因此自動(dòng)劃分，不需要干預(yù)。完成后 的網(wǎng)格如上圖。輸出到*.msh文件：File >Export，保存為*.msh文件?？梢栽趂lue nt中檢查

10、生成的流體網(wǎng)格。如下圖。不同顏色代表了不同命名的區(qū)域。AB1因檢hLTrensfentSlHKbJ (flN5Y5)12Z3事 Mesh*!3胡 GsoawtryjMeii1Setup MJticn 陽禹TrdnsieN: rutturdKANSVS)FLUENT中的流場(chǎng)網(wǎng)格新建暫態(tài)結(jié)構(gòu)分析在workbench中建立一個(gè)暫態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊，并引入剛才的幾何體模型。（網(wǎng)格無法輸入）修改Engineering Data中的材料參數(shù)（這里需要一個(gè)比較軟的材料）。新建一個(gè)plate材料,輸入密度2000kg/m3，楊氏模量100MPa，泊松比0.3。完成。定義的截流板的材料屬性3. 形成inp文件進(jìn)入暫

11、態(tài)結(jié)構(gòu)模塊，將流體部分的幾何體suppress掉，只剩下固體的截流板。在截流板底面添加fix約束，在3個(gè)接觸面（和兩個(gè)側(cè)對(duì)稱面共面的兩個(gè)側(cè)面沒有約束條件存在） insert : Fluid Solid Interface。如下圖。© tfMuppms All EoditsIaTwrl 伽pir殆"冃Stt童El iwl-kr d lit1 Lh Gr 與Ft伽git F«rv«| 矗 | IFik ad Supp-so* I E | FIul d Solid HdA ar> ur<BTnnii «n<Bi-iriacBtlt

12、Pritt rasifln14 utLim FrtFW4J* i p.1 Lbhdfl "xi d Sbl l i Int»rf bnIl Z Tr Mixi Str-ac lux ul. tJUZTS J Trvii l tutTlH« d . EEOig-|5 E0:34添加耦合界面定義的約束和耦合邊界網(wǎng)格選擇fine ,生成網(wǎng)格（無特殊注意）。在Analysis Setting里設(shè)置仿真時(shí)間為1秒，關(guān)閉自動(dòng)步長(zhǎng)，設(shè)置時(shí)間步為 0.01秒。開啟大 變形開關(guān)。Hwbtr Of St+pf1.Current St eu Niamber1,Step End Time

13、i 52)(Syto Time StflppiriiEDefine ByTiaeToil二Time InfeElationOnSo J. vex Coikt >ol £Solvar TypePrQEra-ni Cant rol led胃eak SipfinESProgram Cont rd led心Jr聘 Btfltclioiii.分析設(shè)置Solve Process Settings, u Addins.Options.¥h i abl e M anager輸出inp文件Tools >Write In put File.保存為 *.i np 文件。網(wǎng)格和固體計(jì)算

14、文件*.inp準(zhǔn)備完畢。4. CFXpre中定義流體相關(guān)（重點(diǎn)，難點(diǎn)） 關(guān)閉workbench （如果不修改分析參數(shù)的話,F面的分析中將不再啟動(dòng)workbench ）。打開CFX>CFX啟動(dòng)界面在CFX啟動(dòng)界面上，需要用到CFXPre, CFXSolver Manager, CFDPost。分別是前處理，解算器和后處理器。進(jìn)入 CFXPre。File >New Case 新建一個(gè)工程，選擇 General。在CFXPRE中的基本工作流程如下：(1) .import mesh(from *.msh file)(2) .import *.inp via option ” us困xter

15、nal solver ”(3) .define fluid material(4) .define domain(use dynamic mesh)(5) .defi ne boun dary con diti on: both CFXboun dary & coupli ng in terface(6) .setting initial values(7) .setting solver control(8) .setting output control(file to write exchanging datas)(9 ) .writing the solver *.def fi

16、le在mesh上右擊，錄入 flue nt網(wǎng)格文件：*.msh。OJtflne-喇IT i TransFarm MeshDefine Connectkinli Que Adjacent Mesh&s拆 Mesh FX-5dwer Input ICEM CFDAIM5Y5 RHrtd Mr-h Fili-Mesh 5t4iS5tiX5C34S錄入網(wǎng)格二魚 fluid.msh-Principal 3D Regions|二 E ® partl-Principal ZD Regions 叼琴inletInterfaceoutlet叼辛syml 0 sym2 0金膠ii遽Connect

17、ivity錄入的網(wǎng)格雙擊 AnalysisType。External Solver Coupling:option >ANSYSMultiFeild（MFX），選擇剛才生成的 inp文件。選擇耦合時(shí)間為1秒，時(shí)間步為0.01秒（需要和inp文件，即暫態(tài)結(jié)構(gòu)模塊里定義的時(shí)間 和時(shí)間步相一致）。選擇分析類型為暫態(tài)，時(shí)間設(shè)置都是耦合方式的。點(diǎn)擊 新建一個(gè)材料。并輸入如下圖中的屬性參數(shù)。（由于是流固耦合流程的學(xué)習(xí)，具體參數(shù)不必深究）Miihgs-日OptioniMMharic制IrW *;訶x juf 10卄抽押$（屮創(chuàng)育河Outkie | Material: userdefhedFiuid I

18、JStdiS of uhitrdtffiiit=dnuidBasx ScttnssMBtedaJ PropertiesCationGeneral McteridTliermcdyndmk Properties Equaton of StafceEpecfkHeat CapactyI"! Refer-enc.& StateWidhgynanfc 痕 D5fcy®2P*jlRdPtisn prflperties國(guó)J 0u0ai*- Properties田2 Thermal Condudiivlt定義基本設(shè)置定義材料屬性雙擊Default Domain設(shè)定流場(chǎng)區(qū)域的屬性。

19、選擇剛才定義的材料，并且設(shè)定Mesh Deformation 為 Regions of Motion Specified （動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置）。選擇流體模型：無傳熱，無湍流。OJtlnfe Owrr EW-nk： hmeri |DetW if Dcf-Mjft Doniialn nrlaw Andysls- LFMd arid Pdrtidt Ddtittark；.FkidLix¥¥CAFtmunKf rludr|FWID Mrmfn呂麻如OlMim-EwTidk DotuinMDnnrusin n Plow Andyvn U設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置流體模型點(diǎn)擊添加邊界。In let, o

20、utlet, sym1, sym2, wall, i nterface。定義如前。在 in let 中定義來流速度為80m/s。在 outlet中定義 static pressure 為 0。注意,in let, outlet, wall 的網(wǎng)格都是 stati on ary 的，而 sym1, sym2 是unspecified （因?yàn)閟ym1和sym2上會(huì)有網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，不能固定，其他的網(wǎng)格是靜止的）。定義in terface，選擇基本類型為wall。設(shè)置屬性如下：Outline Boundary: interfaceDetails of interface in Default Domain

21、 in Flow Analysis 1Basi匚 SettingsBoundary Details SourcesIn terface的屬性Mesh Motion:option >ANSYSMultiField ,下面是傳遞的耦合參數(shù)以及命名。 在inp文件中有一 組單元被定義為了 FSIN_（在建立Solid Fluid In terface時(shí)制定的編號(hào)為 1,與FSIN_1對(duì)應(yīng)。 依次類推）。耦合參數(shù)為：向 ANSYS發(fā)送力參數(shù)，從 ANSYS接受變型網(wǎng)格。完成后定義的邊界（包括耦合界面）顯示如下:- 匾 Simulation- 費(fèi) Flow Analysis 1© Analysis TVpe-0_9_Default_Domain Hit inlet_ 叼芥 interact 0 o